無線光通信技術(shù)論文(2)
無線光通信技術(shù)論文
無線光通信技術(shù)論文篇二
無線光通信的技術(shù)研究
摘要： 無線光通信是一種利用光波作為載波在自由空間中直接進(jìn)行通信的一種方式，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了無線光通信的工作原理及組成，并介紹了幾種常見問題的解決方案。
關(guān)鍵詞： FSO 無線光通信 ATP
1.前言
最初，在出現(xiàn)了激光器這一理想光源后，人們就是沿用無線通信的原理，利用大氣作為傳輸通道，直接進(jìn)行光通信的。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，比如傳輸距離較短，受天氣影響嚴(yán)重等問題的制約，其發(fā)展一直停滯不前。無線光通信憑借其特有的優(yōu)越性，最近幾年來，又受到國內(nèi)外眾多企業(yè)及運(yùn)營商的普遍重視。
無線光通信，又稱“自由空間光通信”FSO(FreeSpace Optical Communication)或“虛擬光纖”(VirtualFiber)，是光在自由空間(大氣，外太空或水)中直接進(jìn)行通信的一種方式。
近年來，人們對(duì)通信的速率及容量的要求越來越高，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)80%以上都采用的是光纖通信系統(tǒng)。但用戶接入網(wǎng)的光纖化由于其費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本高而發(fā)展受阻，而無線光通信由于其安裝簡單，費(fèi)用低，而成為用戶接入網(wǎng)“最后一公里”的最好的解決方案。另外，對(duì)于一些突發(fā)事件造成的通信中斷，無線光通信也是一個(gè)非常好的應(yīng)急方案。例如，美國“9.11”事件發(fā)生后部分地區(qū)的應(yīng)急通信就采用了很多的無線光通信技術(shù)。最近幾年國內(nèi)外的許多企業(yè)都在無線光通信的技術(shù)上都有新突破，有的已經(jīng)投入商用，比如美國朗訊公司的2.5×4Gb/s的波分復(fù)用系統(tǒng)，日本佳能公司的無線光通信系統(tǒng)等。筆者總結(jié)了這方面的技術(shù)，以便有更多的人才關(guān)注這一方面的技術(shù)。
2.工作原理
無線光通信是光纖通信和無線通信的結(jié)合，利用激光在自由空間內(nèi)進(jìn)行通信，可傳輸話音、視頻等多種業(yè)務(wù)，其速率最高可達(dá)2.5Gb/s。一個(gè)完整的無線光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成。其原理框圖如圖1所示。
發(fā)射系統(tǒng)主要由編碼器、調(diào)制器、光源和發(fā)射天線組成。由于大氣信道的不穩(wěn)定，大氣激光通信中的誤碼問題較為嚴(yán)重，所以利用編碼器進(jìn)行前項(xiàng)糾錯(cuò)處理，然后將信號(hào)送至光調(diào)制器，調(diào)制到一個(gè)由激光器產(chǎn)生的激光束上，利用發(fā)射天線發(fā)送，經(jīng)過大氣信道的傳輸，到達(dá)接收端。接收系統(tǒng)主要由接收天線、光檢測(cè)器、解調(diào)器及譯碼器組成，其工作過程與發(fā)送過程相反。接收天線接收到信號(hào)后，經(jīng)光檢測(cè)器和調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，最后經(jīng)譯碼器輸出。
接收光學(xué)天線的任務(wù)是將一定面積內(nèi)的信號(hào)光會(huì)聚到光檢測(cè)器上，目的是增大接收光信號(hào)的功率;發(fā)送光學(xué)天線的任務(wù)是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣中傳播時(shí)的發(fā)散損耗。一般來說，由于成本和維護(hù)的考慮，大氣激光通信大都采用折射式光學(xué)天線。
3.無線光通信中常見問題及解決方案
(1)大氣湍流的影響
大氣湍流就是大氣各點(diǎn)的密度不均勻的微小起伏，是由于地球表面的空氣的不斷對(duì)流引起的。密度的變動(dòng)造成折射率的變化，激光束通過時(shí)，就會(huì)偏離原來的方向，發(fā)生不穩(wěn)定的折射偏折，這種現(xiàn)象也叫做“大氣抖動(dòng)”。由于接收點(diǎn)固定不動(dòng)，收到的光信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)有起伏變化，帶來強(qiáng)烈的干擾。
對(duì)于這個(gè)問題可以采用差錯(cuò)編碼技術(shù)來控制其影響，目前采用Tubro碼可以很好地改善大氣湍流對(duì)接收光強(qiáng)的影響。如下圖所示：Tubro碼編碼系統(tǒng)與未編碼系統(tǒng)的性能比較。
(2)大氣衰減的影響
激光器作為一種理想的光源，具有體積小、壽命長、調(diào)制方便，而且發(fā)射光束單色性好、方向好等特點(diǎn)。民用無線光通信系統(tǒng)主要選用的是半導(dǎo)體激光器。對(duì)于其工作波長，由于存在大氣衰減，即因大氣對(duì)光束的吸收和散射作用引起的信號(hào)能量減弱，又因?yàn)榇髿獾纳⑸渥饔门c大氣中微粒的數(shù)目和大小有關(guān)，而且對(duì)于不同波長的電磁波，大氣的衰減作用也不同(如圖3所示)。在圖中，我們可以看到720nm―15000nm的光波在大氣中的透射特性。顯然，為了盡可能消除大氣帶來的損耗，通信波長應(yīng)選擇在大氣“窗口”位置。大氣激光通信一般采用的850nm、1550nm波長均位于大氣透射的“窗口”中，因此透射率很高，大氣損耗小。又因?yàn)槟壳肮饫w通信一般都選擇1550nm波長，可用器件選擇余地大，而且1550nm波長的光源在通信性能和人眼安全性上都有更好的表現(xiàn)，所以無線光通信一般選擇工作波長為1550nm。
(3)建筑物晃動(dòng)的影響
建筑物晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，其最大值可達(dá)4mard/2層樓。對(duì)于大氣激光通信來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對(duì)準(zhǔn)(捕獲)和保持(跟蹤)至關(guān)重要。但在對(duì)準(zhǔn)之后，在風(fēng)力和其他因素的作用下，建筑物會(huì)有一些晃動(dòng)，就必須要求鏈路兩端設(shè)備必須具備自動(dòng)跟蹤的能力。
對(duì)于這種問題可以采用散光法和自動(dòng)跟描技術(shù)又稱(ATP技術(shù))來解決。
所謂散光法就是讓激光束以較大的角發(fā)送，這樣到達(dá)接收端時(shí)光束就會(huì)形成一個(gè)很大的光錐。但是，若發(fā)射角太大，則通信距離和接收端信號(hào)的強(qiáng)度都會(huì)受到相應(yīng)的影響。
高精確的捕獲(Acquisition)、跟蹤(Track-ing)和瞄準(zhǔn)(Pointing)技術(shù)可以避免這個(gè)問題，所以已經(jīng)成為無線激光通信中的關(guān)鍵技術(shù)。ATP系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)：
1)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通信方向，控制光束方向，使其能較為準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)光接收器。
2)跟蹤系統(tǒng)：可分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)，在不同視角/視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)跟蹤，然后將目標(biāo)控制在跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)，始終使系統(tǒng)處于最佳接收位置。位置探測(cè)如下圖4所示，較為常用的探測(cè)器有PSD、CCD和QD。粗跟蹤系統(tǒng)常采用CCD來實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤目標(biāo)的捕獲，其捕獲范圍可達(dá)±1°―±20°或更大。精跟蹤系統(tǒng)通常采用四象限紅外探測(cè)器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)，其要求現(xiàn)場(chǎng)角為幾百微弧度，跟蹤精度為微弧度，跟蹤靈敏度為微幾mW。
4.結(jié)束語
無線光通信由于具有與多優(yōu)點(diǎn)，比如無需申請(qǐng)頻帶許可證，組網(wǎng)方便，安全性好，抗干擾性好，故在一些應(yīng)急場(chǎng)合、特殊場(chǎng)合，如高電磁干擾場(chǎng)合、不易布線的場(chǎng)合，還有一些軍事部門的應(yīng)用前情都非常好，在未來的通信市場(chǎng)有非常廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)：
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